潘洪濤，鄒 偉，姜 鵬

（遼寧瀚石機械制造有限公司，遼寧 阜新 123000）

深井鉆機使用廣泛，可用于地質(zhì)勘探或礦產(chǎn)資源的開發(fā)。鉆井設備通常有以下7 種：常規(guī)陸地鉆機、沙漠鉆機、車裝鉆機、連續(xù)管作業(yè)機、斜井鉆機、海上鉆井平臺、鉆井船。結(jié)構(gòu)主要包括平臺、鉆井支架、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輔助部分等，主要工作原理就是利用動力系統(tǒng)驅(qū)動鉆桿將鉆頭鉆入大地，根據(jù)接鉆桿的數(shù)量可以實現(xiàn)不同深度的鉆井作業(yè)。

主要針對1 000 m 深井鉆機實現(xiàn)自動鉆進過程的設計。鉆機總質(zhì)量40 t，鉆孔直徑216 mm，鉆孔角度與地面垂直成90°，巖石硬度系數(shù)f ＝6，鉆桿長度6 m，總共170 根，每根鉆桿質(zhì)量200 kg，鉆桿總質(zhì)量34 t。動力部分采用上部動力頭的驅(qū)動方式，動力頭驅(qū)動總成總質(zhì)量3 t，采用30 kW 變頻電機驅(qū)動。動力頭的升降采用滑輪組結(jié)構(gòu)，采用卷揚驅(qū)動，靜滑輪與動滑輪各5 組。由于鉆桿接卸桿時的正常升降速度和工作時鉆進速度不一樣，為了提高工作效率，采用雙電機驅(qū)動的卷揚系統(tǒng)。大電機采用普通三相異步電機，小電機采用2.2 kW 三相異步變頻電機，可實現(xiàn)工作時自動鉆進的速度控制。大電機工作時動力頭快速升降，小電機工作時動力頭慢速升降，并且速度可調(diào)?？刂葡到y(tǒng)采用基于PLC 自動控制的人機交互界面，7.0 寸觸摸屏可觸摸控制，操作簡單，界面簡潔，主要數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，觀看方便[1]。

1 深井鉆機的自動鉆進功能與邏輯控制

1.1 深井鉆機自動鉆進系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)

1）送桿機構(gòu)。深井鉆機的送桿機構(gòu)可以將170根鉆桿進行接桿與卸桿時的運輸功能。接桿作業(yè)時人工將鉆桿逐一放到送桿平臺裝置上，通過液壓油缸控制將鉆桿運輸?shù)轿?，機械鉗鎖定鉆桿，通過大臂擺動將鉆桿傳動到位，傳感器檢測到位后動力頭下行運動鎖住鉆桿進行接桿作業(yè)，接桿完成后輸送桿機構(gòu)的機械鉗打開，大臂復位完成這根桿的送桿作業(yè)，油缸收回進行下一根桿的送桿作業(yè)，如此反復將170 根鉆桿全部輸送至動力頭下方進行接桿。卸桿時空的大臂擺動至動力頭下方，傳感器檢測到位后機械鉗鎖定將動力頭下方即將拆卸的鉆桿固定，大臂擺回將鉆桿卸載下來，機械鉗打開運輸油缸收回將鉆桿收回運輸機構(gòu)，人工將鉆桿進行吊裝放到指定位置，如此反復進行卸桿作業(yè)。

2）接卸桿機構(gòu)。接桿作業(yè)時送桿機構(gòu)將鉆桿送至動力頭下方后，傳感器檢測到位，動力頭下移鎖住鉆桿，送桿機構(gòu)收回后動力頭旋轉(zhuǎn)進行接桿作業(yè)，接桿完成后下方接卸桿扳手座打開，接桿動作完成，可以進行鉆進作業(yè)。卸桿時動力頭將鉆桿拔出到達指定位置后上方限位傳感器動作，此時進行卸桿作業(yè)，下方接卸桿扳手座動作固定下方鉆桿，送桿機構(gòu)大臂擺出，機械鉗鎖定鉆桿，此時動力頭逆向選擇將鉆桿扣打開，卸桿完成。

3）動力系統(tǒng)總成。動力系統(tǒng)采用動力頭的驅(qū)動方式，動力頭由1 臺30 kW 三相異步變頻電機連接減速機的方式驅(qū)動鉆桿旋轉(zhuǎn)切削作業(yè)，三相異步變頻電機可以無極調(diào)節(jié)鉆頭的轉(zhuǎn)速，接卸桿作業(yè)時可以人工控制慢速旋轉(zhuǎn)，使扳手口可以很好的控制在扳手座對應的位置進行接卸桿作業(yè)。鉆進作業(yè)時通過控制器控制變頻器來控制鉆桿的轉(zhuǎn)速，使鉆桿鉆頭的轉(zhuǎn)速達到鉆井作業(yè)時最佳的速度。

4）滑輪組?；喗M由5 片靜滑輪與5 片動滑輪組成，定滑輪可以改變力的方向，但不能很省力地拉動物體。動滑輪不可以改變力的方向，但能很省力地拉動動力頭與鉆桿?；喗M結(jié)合了定滑輪和動滑輪，這樣既可以改變力的方向，又能很省力地拉動動力頭與鉆桿。若不計滑輪組使用中所做的額外功，動滑輪用的越多越省力。動力頭與鉆桿總質(zhì)量37 t，滑輪組鋼絲繩10 根，考慮安全系數(shù)卷揚采用5 t 的卷揚機連接鋼絲繩進行動力頭的升降作業(yè)。

5）卷揚系統(tǒng)。5 t 卷揚機，考慮到接卸桿時動力頭的上升下降速度快，鉆進作業(yè)時動力頭下移的速度慢并且速度可根據(jù)地質(zhì)條件自動控制，所有采用雙電機驅(qū)動卷揚系統(tǒng)。小電機為鉆進作業(yè)時需要工作的電機，電機采用2.2 kW 三相異步變頻電機，可以慢速控制動力頭的鉆進作業(yè)，通過控制器控制變頻器使鉆進作業(yè)時鉆頭的鉆進速度達到最佳狀態(tài)?？扇斯た刂坡倥c快速的切換和上下移動，鉆井作業(yè)時也可切換到自動模式，進行鉆井作業(yè)，控制簡單方便，自動鉆井作業(yè)高效。

1.2 鉆進作業(yè)時的動作流程與邏輯控制

鉆桿接桿完成后進行自動鉆桿作業(yè)，動力頭通過卷揚機大電機通電工作，快速下移，達到1 號傳感器的位置后切換卷揚機小電機通電工作，動力頭慢速時以最大的速度移動，到達2 號傳感器位置時動力頭的下放速度進入自動控制系統(tǒng)控制，根據(jù)鋼絲繩上的拉力傳感器檢測鉆頭是否進入鉆進作業(yè)狀態(tài)，自動控制的鉆進系統(tǒng)可以根據(jù)不同的地質(zhì)條件自動控制鉆進速度，同時根據(jù)邏輯關(guān)系控制鉆頭的轉(zhuǎn)速，達到最佳工作狀態(tài)，減少故障率的產(chǎn)生。

1.3 自動鉆進作業(yè)的相關(guān)參數(shù)與計算

1.3.1 軸壓的確定

根據(jù)公式：

式中：f 為巖石的硬度系數(shù)；D 為鉆頭的直徑，mm；p 為鉆頭的軸壓。

計算得當巖石硬度系數(shù)f=6 時鉆頭的軸壓保持在90 kN 最合理。

1.3.2 鉆進的速度

鉆進的速度根據(jù)拉力傳感器反饋數(shù)據(jù)與計算軸壓對比根據(jù)控制器的邏輯控制關(guān)系自動執(zhí)行，當拉力傳感器計算反饋的軸壓不到90 kN 時，卷揚機以慢速時最大的速度運行，為保持鋼絲繩一直拉緊，當拉力傳感器反饋計算所得的動力頭的質(zhì)量小于10 kN 時動力頭減速，每隔1 min 計數(shù)1 次，當還小于10 kN 時繼續(xù)減速，當拉力顯示為0 時動力頭下放速度停止，拉力傳感器超過10 kN 不到90 kN 時動力頭速度提升，到90 kN 時保持鉆進速度運行，大于90 kN 時動力頭下放加速，每隔1 min 計數(shù)1 次，達到90 kN 時保持。如此反復保持在最佳鉆進速度。

1.3.3 鉆進速度與鉆頭轉(zhuǎn)速的關(guān)系

根據(jù)經(jīng)驗公式：

式中：p 為軸壓；n 為鉆具的轉(zhuǎn)速，cm/min；D 為鉆頭的直徑，cm；f 為巖石的硬度系數(shù)；v 為鉆頭的鉆進速度，cm/min。

計算得v=0.26 n，可以知道鉆進速度與鉆頭轉(zhuǎn)速的倍數(shù)關(guān)系。

鉆進的速度根據(jù)控制器自動控制，根據(jù)公式可以對應輸出控制需要的鉆頭轉(zhuǎn)速。但當動力頭下放速度為0 時鉆頭的轉(zhuǎn)速不能停止，所以限定動力頭轉(zhuǎn)速最低值。動力頭三相異步變頻電機最低轉(zhuǎn)速到計算所得的速度由控制器自動控制。

2 控制系統(tǒng)電氣部分

2.1 變頻調(diào)速電機控制系統(tǒng)

1）動力頭三相異步變頻電機變頻器。采用SKI600系列變頻器，電壓380 V，功率30 kW。該變頻器價格低廉，性能穩(wěn)定，低噪音，載波頻率1.0～16.0 kHz連續(xù)可調(diào)，最大限度降低電機噪音，具有自動穩(wěn)壓功能，根據(jù)需要可以選擇動態(tài)穩(wěn)壓、靜態(tài)穩(wěn)壓、不穩(wěn)壓3 種方式，低頻大扭矩，啟動扭矩達到2 倍的額定轉(zhuǎn)矩50 Hz 以內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩輸出。該變頻器具有6 大功能，可多段數(shù)運行，16 段可編程多段速控制多種運行模式可選，簡易PLC 運行，可設置多達16 段速度自動運行每段的運行時間均可設置，具有RS485 通訊，多種通信協(xié)議可選具備聯(lián)動同步控制功能，輸出頻率范圍廣，低頻模式：0～300 Hz，高頻模式：0～3 000 Hz，具有PID 控制，廣泛用于恒壓供水，風壓恒壓控制等場合。內(nèi)置控制單元，及其內(nèi)置制動單元無需另購。具有9 大保護功能：過載保護、過熱保護、過壓保護、欠壓保護、過流保護、缺相保護、接地保護、短路保護、失速保護。具有經(jīng)典布局的操作面板，可用于與PLC 連接時調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)或者單獨使用[2]。外部電氣系統(tǒng)接線圖如圖1，30 kW 變頻器與PLC連接接線圖如圖2。

圖1 外部電氣系統(tǒng)接線圖

2）卷揚三相異步變頻電機變頻器。采用SKI600系列變頻器，電壓380 V，功率2.2 kW，具體功能與上述動力頭三相異步變頻電機變頻器相同。

圖2 30 kW 變頻器與PLC 接線圖

2.2 拉力傳感器

選用板環(huán)式NTJL-7 高精度拉力傳感器，具有測量精度高，穩(wěn)定性能好，抗過載能力強，密封防潮的特點，廣泛應用于各種吊鉤秤、港口、碼頭、起重超載保護設備等。采用板環(huán)式結(jié)構(gòu)，40Cr 合金鋼材質(zhì)，抗機械疲勞性強，具有雙向承載，成熟產(chǎn)品，多年改進生產(chǎn)經(jīng)驗，高精度，穩(wěn)定輸出，測量方便，2 個板環(huán)孔徑，安裝簡便，可配卸扣使用，出現(xiàn)接頭帶有六角接頭，防止導線拉扯斷裂。搭配變送器使用，輸出4～20 mA 的電流模擬信號至PLC 控制器，通過測試編程將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字顯示在觸摸屏上，可直觀顯示拉力信息，并且用于自動控制系統(tǒng)的編程設計。

2.3 控制器

PLC 與觸摸屏結(jié)合能更高效更智能的顯示重要信息到屏幕上，主要信息一目了然，也可以將部分按鈕放進屏幕操作，操作方便，也使操作臺更加美觀簡潔?？刂破鬟x擇EX2N-38MR -70H（-2AD2DA）型號，觸摸屏尺寸7.0 英寸，EX2N-43H/70H/系列觸摸屏PLC 一體機是集觸摸屏顯示和PLC 控制于一體的高度集成的產(chǎn)品。它可以大大節(jié)約用戶的安裝維護成本，是觸摸屏和PLC 的升級換代產(chǎn)品[3]。該控制器具有20 個DI 和18 個DO，2 個模擬輸入與2 個模擬輸出，全部采用可插拔端子，方便客戶安裝維護，觸摸屏和PLC 都可特殊加密，保護使用者的勞動成果。常規(guī)有觸摸屏USB 編程口和PLC 編程口（232），另有485 通訊口和網(wǎng)絡接口可選。觸摸屏支持WINCE 系統(tǒng)，方便客戶操作。PLC 可以支持MODBU 通信協(xié)議，包括主機/從機模式，可組網(wǎng)多個PLC 或其它設備。LED 背光顯示：EX2N-70H，800×480 分辨率，65535 色數(shù)字真彩，豐富的動畫效果，外觀時尚大方。寬屏顯示、超輕、超薄機身設計，節(jié)約空間，方便安裝，結(jié)構(gòu)緊湊。編程軟件兼容三菱PLC編程軟件，工作電源DC24 V，電壓波動范圍±10%，隔離電壓（電源-外部端子）1 500 VAC。輸出指標（模擬），輸出信號范圍0～10 V，模擬量A 款最多8入4 出，B 款最多12 入8 出，精度10 位。環(huán)境條件：工作溫度0～45 ℃，工作濕度5%～90%，儲存溫度-10～60 ℃，振動頻率10～57 Hz、57～150 Hz，振動加速度0.075～9.8 m/s2，振動掃頻速率不大于1 otc/min。額定功率5 W。外部接口串口1 ×232，另有1 × 232、1 × RS485 可選。USB 有1 主1從，無以太網(wǎng)，可選裝[4]。

3 PLC 控制系統(tǒng)

3.1 I/O 分配表

I/O 分配表PLC 可編程控制器輸入與輸出繼電器對應元器件與作用見表1。

表1 I/O 分配表

3.2 PLC 外部接線圖

根據(jù)各輸入輸出點的作用及設計要求設計PLC外部接線圖，PLC 外部接線圖如圖3。

圖3 PLC 外部接線圖

3.3 PLC 梯形圖與觸摸屏

觸摸屏使用CoolMayHMI 觸摸屏編程軟件進行編程設計，將需要顯示的數(shù)據(jù)與圖形和按鈕設計到屏幕上。使用GX Developer 軟件設計PLC 梯形圖[5]，將所編寫的梯形圖程序進行編譯，通過上下位機的連接電纜把程序下載到PLC 中。為了及時發(fā)現(xiàn)和消除程序中的錯誤，減少系統(tǒng)現(xiàn)場調(diào)試的工作量，確保系統(tǒng)在各種正常和異常情況時都能作出正確的響應，需要進行離線測試，既不將PLC 的輸出接到設備上[6]。按照控制要求在指定輸入端輸入信號，觀察輸出指示燈的狀態(tài)，若輸出不符合要求，則查找原因，并排除[7-9]。

4 結(jié)語

設計采用機電一體化設計理念，將機械與微電子技術(shù)有機的結(jié)合，實現(xiàn)通過PLC 自動控制系統(tǒng)控制鉆進的過程。傳統(tǒng)的人工控制只能根據(jù)鋼絲繩反饋的拉力或者觀看鋼絲繩的伸縮程度與泥漿壓力等靠經(jīng)驗操控鉆進速度，而鉆井不同深度不同地層巖石硬度不一樣，鉆頭需要的軸壓與轉(zhuǎn)速也就隨之變化，單一靠人工操作很難實現(xiàn)需要的鉆進速度與鉆頭轉(zhuǎn)速，配合的不好會使鉆井效率低下，且容易產(chǎn)生故障。采用PLC 自動控制系統(tǒng)控制的鉆井過程，不但能根據(jù)拉力傳感器的數(shù)值反饋得到計算所需的軸壓，而且能通過計算所得的邏輯關(guān)系控制鉆井過程中鉆頭的轉(zhuǎn)速，高效的配合使得鉆井效率大大提高，減少故障率的發(fā)生?？刂破鞑捎萌藱C交互界面的設計，可將鉆機重要的參數(shù)直接顯示到屏幕上，鉆機工作過程中參數(shù)直觀，鉆頭的轉(zhuǎn)速與軸壓可以直接在屏幕上修改，可適應不同場地不同巖性工作的需求，使用范圍廣。